캐패시터 방전 전류 Map을 이용한 선박용 DC 전력 시스템 보호

Abstract

본 논문에서는 선박용 DC 전력시스템 내 단락 고장 발생 시, 캐패시터 방전 전류의 실효 값을 직관적이고 편리하게 참조할 수 있는 정규화된 캐패시터 방전 전류 Map 및 그 이용 방법을 제안한다. 이는 감쇠비(damping ratio)와 정규화된 캐패시터 전압에 따른 캐패시터 방전 I2t Map 또는 정규화된 캐패시터 방전 시간-전류 특성(time-current characteristic, TCC) Map의 형태로 미리 계산되어 제공된다. 실제 값을 정규화 하거나 역으로 변환할 때는 R-L-C 등가 회로의 파라미터로 계산한 기준값(base value)을 통해 변환할 수 있다. 최근 선박 분야에서는 연료 효율 향상 및 환경 문제 개선을 위해 VSC(voltage source converter)를 적용한 전기 추진 방식을 다수 도입하고 있으며, 더 높은 효율을 위해 다수 VSC의 DC링크 캐패시터들을 연결한 DC 전력시스템이 등장하고 있다. 그런데 모든 전력시스템은 전기의 안전한 사용을 위해 적절한 보호 방식을 갖추어야 하고, 그 설계를 위해서는 먼저 단락 사고시의 고장전류 특성을 분석해야 한다. DC 전력시스템은 AC 전력시스템과 달리 캐패시터 때문에 고장 전류 계산이 복잡하므로, 분석시 IEC 61660-1 표준과 같은 주요 특징점 참조법 또는 컴퓨터를 이용한 수치해석법을 이용할 수 있다. 그러나 해당 표준에는 보호기기의 동작특성과 직접적인 비교를 할 수 있는 I2t값이나 시간-전류 특성에 대한 참조 데이터는 제시되어 있지 않으며, 수치해석적인 방법은 직관적인 수치를 제공해주지 못해 파라미터 수정시 반복적인 시뮬레이션을 통해 보호 특성을 확인해야 하는 단점이 있다. 따라서 기존 연구에서는 고장 전류 분석 및 보호 방식 설계시 점진적 반복법(iteration method)을 사용하였지만 본 논문에서 제안된 Map을 이용하면 감쇠비 별 캐패시터 전압에 따른 I2t값과 캐패시터 방전 전류의 시간-전류 특성을 직관적으로 파악할 수 있다. 특히 시간-전류 특성 그래프는 과전류 보호설계 시에 보편적으로 사용되는 표현방식으로, 기존 설계자들에게 좀 더 익숙한 접근이 가능할 것으로 기대된다. 본 논문에서는 초기 캐패시터 전압이 V0인 단일 R-L-C 회로의 캐패시터 전압, 전류, 시간, I2t에 대한 수식을 분석하여 각각을 기준값과 정규화된 항의 곱으로 표현할 수 있음을 보인다. 정규화된 I2t항은 감쇠비와 위상각의 함수로 나타낼 수 있는데, 활용도를 높이기 위해 위상각 대신 정규화된 캐패시터 전압으로 대체하여 캐패시터 방전 I2t Map으로 나타낼 수 있다. 추가적으로 r.m.s.(root-mean-square) 계산식의 정의를 이용하면, 캐패시터 방전 I2t Map과 시간 Map을 시간-전류 평면 상의 캐패시터 방전 시간-전류 특성 Map으로 나타낼 수 있다. 위의 과정을 거쳐 해석적으로 도출된 캐패시터 방전 전류 Map의 정확도를 검증하기 위해 R-L-C 등가 회로에서의 시뮬레이션 및 퓨즈를 포함한 실험을 수행하였으며, 각각의 설계 예시를 제시하였다. 추가적으로 선박에서 적용되고 있는 DC전력시스템의 네트워크 형태에 대해서 분석한다. 버스와 피더의 임피던스 비율에 따라 차단시 선택성이 달라질 수 있음을 보이고, 가장 낮은 공진주파수를 기준으로 다수의 캐패시터와 버스 임피던스를 고장 피더에 대하여 단일 R-L-C 회로로 등가화할 수 있음을 보인다. 이를 선박용 DC전력시스템 축소모델을 기반으로 실험을 통해 검증한다.

This paper proposes a normalized capacitor discharge current map and design method. It can be an intuitive and convenient design method to refer an expected effective(r.m.s.) value of the capacitor discharge current during short-circuit in a DC shipboard power system. The proposed map is calculated in advance according to the damping ratio and the normalized capacitor voltage, and may be used in the form of an I2t Map or a time-current characteristic (TCC) Map, if necessary. When converting a normalized value to an actual value or vice versa, it can be converted through the base value calculated by the parameter of the R-L-C equivalent circuit. In order to design a protection system for safe use of DC shipboard power system, it is necessary to analyze the characteristics of the fault current during short circuit fault. The proposed map allows us to intuitively estimate the I2t value and the time-current characteristics according to the capacitor voltage drop and damping ratio. In particular, the time-current characteristic curve is an graphical method commonly used in overcurrent protection design, and it is expected that this similar approach is more familiar to designers. This paper analyzes the formulas for capacitor voltage, current, time, and I2t of a equivalent R-L-C circuit with an initial capacitor voltage of V0. And it shows that they can be expressed as a product of a base value and a normalized term, respectively. The normalized I2t term may be represented as a function of the damping ratio and phase angle or that of the damping ratio and the capacitor voltage. The time-current characteristic Map may be obtained by projecting it into the time-current plane using the definition of the normalized time and effective(r.m.s.) value. In order to verify the accuracy of the normalized dataset derived analytically through the process, simulations and experiments including fuses in a R-L-C circuit was conducted, and an example of design process was presented. In addition, the network type of DC power system applied to ships is analyzed. It is shown that selectivity may vary when blocking depending on an ratio of bus impedance and feeder impedance, and several capacitors and bus impedance may be transformed to an equivalent R-L-C circuit for a fault feeder based on the lowest resonant frequency. This is verified through experiments based on the small-scaled model of the DC shipboard power system.